Tutaj prezentujemy metodę wyrażania i oczyszczania S100A12 (kalgranulina C). Opisujemy protokół pomiaru jego aktywności przeciwdrobnoustrojowej wobec ludzkiego patogenu H. pylori.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Tutaj prezentujemy metodę wyrażania i oczyszczania S100A12 (kalgranulina C). Opisujemy protokół pomiaru jego aktywności przeciwdrobnoustrojowej wobec ludzkiego patogenu H. pylori.
Białka kalgranuliny są ważnymi mediatorami odporności wrodzonej i należą do klasy S100 rodziny białek wiążących wapń EF-hand. Niektóre białka S100 mają zdolność wiązania metali przejściowych o wysokim powinowactwie i skutecznego sekwestrowania ich przed atakującymi patogenami drobnoustrojów w procesie, który określa się mianem "odporności odżywczej". S100A12 (EN-RAGE) wiąże zarówno, jak i miedź i występuje w dużych ilościach we wrodzonych komórkach odpornościowych, takich jak makrofagi i neutrofile. Przedstawiamy udoskonaloną metodę ekspresji, wzbogacania i oczyszczania S100A12 w jej aktywnej, wiążącej metale konfiguracji. Wykorzystanie tego białka w analizach wzrostu i żywotności bakterii ujawnia, że ma S100A12 działanie przeciwdrobnoustrojowe przeciwko patogenowi bakteryjnemu, Helicobacter pylori. Aktywność przeciwdrobnoustrojowa opiera się na aktywności wiążącej przez S100A12, która chelatuje jako składnik odżywczy, pozbawiając w ten sposób H. pylori, który potrzebuje do wzrostu i namnażania.
Białka S100 to klasa z rodziny białek wiążących wapń EF-hand o zróżnicowanym wachlarzu funkcji1. Są one wyrażane w sposób specyficzny dla tkanki i komórki oraz regulują szerokie spektrum funkcji komórkowych2,3. Unikalne dla białek wiążących wapń, białka S100 wykazują zarówno funkcje wewnątrzkomórkowe, jak i zewnątrzkomórkowe4,5. W komórce wiązanie Ca2+ indukuje zmianę konformacyjną, która odsłania hydrofobową powierzchnię, która jest specyficznie ukierunkowana na partnerów wiążących białka6. Ten wewnątrzkomórkowy mechanizm reguluje ważne procesy, takie jak proliferacja komórek, różnicowanie i metabolizm energetyczny. W środowisku zewnątrzkomórkowym białka S100 pełnią dwie funkcje7. W jednym z nich działają jako białka wzorca molekularnego związanego z uszkodzeniem (DAMP) i inicjują prozapalną odpowiedź immunologiczną poprzez interakcję z receptorami rozpoznawania wzorców8,9. Ponadto kilku członków klasy białek S100 sekwestruje metale przejściowe, funkcję, która służy do głodzenia patogenów mikrobiologicznych w procesie zwanym odpornością odżywczą10,11.
S100A12 (znany również jako kalgranulina C i EN-RAGE) ulega silnej ekspresji w makrofagach i neutrofilach i został zidentyfikowany jako potencjalny biomarker chorób zapalnych12,13. Oprócz wiązania wapnia w miejscach EF-Hand, S100A12 ma dwa miejsca wiązania metali przejściowych o wysokim powinowactwie zlokalizowane na przeciwległych końcach interfejsu dimerów14,15. Każde miejsce wiązania składa się z trzech reszt histydyny i jednej reszty kwasu asparaginowego i może chelatować lub miedź16,17. Niedawno informowaliśmy, że zależny od S100A12 głód jest ważny w regulacji wzrostu Helicobacter pylori i aktywności prozapalnych czynników wirulencji18.
H. pylori infekuje żołądek około połowy światowej populacji ludzkiej, co czyni go prawdopodobnie jednym z najbardziej skutecznych patogenów bakteryjnych19. Zakażenie H. pylori może prowadzić do poważnych skutków chorób żołądka, w tym zapalenia błony śluzowej żołądka, wrzodu trawiennego i dwunastnicy, chłoniaka tkanki limfatycznej związanej z błoną śluzową (MALT) i inwazyjnego gruczolakoraka żołądka (rak żołądka). Rak żołądka jest główną przyczyną zgonów niezwiązanych z rakiem włóknistego na świecie, a największym pojedynczym czynnikiem ryzyka raka żołądka jest zakażenie H. pylori.
H. pylori utrzymuje się w niszy żołądkowej pomimo silnej odpowiedzi immunologicznej na patogen, podkreślając potrzebę lepszego zrozumienia mechanizmów immunologicznych kontroli tej infekcji bakteryjnej20,21,22,23. Zapalenie związane z H. pylori charakteryzuje się głębokim naciekaniem komórek wielojądrzastych lub neutrofili, które w miejscu infekcji odkładają repertuar białek przeciwdrobnoustrojowych, w tym S100A12, w miejscu infekcji18,24,25. Starając się zrozumieć złożony dialog między gospodarzem a patogenem, staraliśmy się udoskonalić technikę oczyszczania S100A12 i wykorzystać ją do badania wpływu przeciwdrobnoustrojowego, jaki wywiera na ten istotny z medycznego punktu widzenia patogen. Poniższy protokół przedstawia ulepszoną technikę oczyszczania S100A12 w stanie biologicznie aktywnym; Zdolny do wiązania metali odżywczych o wysokim powinowactwie i chelatowania ich przed inwazyjnymi mikroorganizmami. Co więcej, poniższe metody podkreślają użyteczność tego białka jako krytycznego odczynnika do badania mechanizmu, za pomocą którego wrodzone cząsteczki przeciwdrobnoustrojowe ograniczają wzrost patogenów bakteryjnych.
Białka z rodziny S100A zyskały uznanie jako ważna grupa wrodzonych cząsteczek układu odpornościowego, które uczestniczą w sygnalizacji immunologicznej, jak również w obronie gospodarza27. Najlepiej zbadaną z nich jest kalprotektyna (MRP-8/14, kalgranulina A/B, S100A8/A9)28,29,30. Kalprotektyna jest białkiem związanym z neutrofilami, które tworzy heterodimer podjednostek S100A8 i S100A9, który wiąże metale przejściowe na granicy dimerów31. Wykazano, że kalprotektyna posiada dwa miejsca wiązania metali: Miejsce 1 może wiązać Zn2+, Mn2+ lub Fe2+, a Miejsce 2 może wiązać Zn2+ 31,32. Liczne doniesienia wykazały, że kalprotektyna ma działanie przeciwdrobnoustrojowe przeciwko różnym patogenom, w tym Staphylococcus aureus, Candida albicans, Acinetobacter baumannii, Klebsiella pneumoniae, Escherichia coli i H. pylori, oraz że działanie hamujące wynika z aktywności chelatacji metalu calprotectin25,28,29.
Poprzednia praca wykazała, że kalprotektyna wywiera liczne działania na H. pylori, w tym zmienia strukturę lipidu A w błonie zewnętrznej, hamuje system wydzielania cag-Type IV (który jest głównym prozapalnym czynnikiem wirulencji w H. pylori), indukuje tworzenie biofilmu oraz hamuje wzrost i żywotność H. pylori w sposób zależny od dawki25,33. Co więcej, testy genetyczne i biochemiczne wykazały, że działanie przeciwbakteryjne kalprotektyny przeciwko H. pylori wynikało w dużej mierze z jej zdolności do wiązania składników odżywczych25. H. pylori wymaga, jak stwierdzono w poprzednich badaniach, w których wykorzystano chemicznie zdefiniowane podłoże w celu ustalenia zapotrzebowania na mikroelementy dla tego patogenu do wzrostu i namnażania się34. Ponadto kalprotektyna była bardzo obfita w tkankach zakażonych H. pylori i była związana z naciekami neutrofilowymi, co wskazuje, że gospodarz może stosować kalprotektynę jako strategię przeciwdrobnoustrojową podczas infekcji i późniejszego stanu zapalnego25,35.
Ostatnie dowody z bezstronnych technik przesiewowych proteomiki sugerują, że w warunkach, w których reaktywne formy tlenu są obfite, kalprotektyna ulega modyfikacjom potranslacyjnym, które zmieniają miejsce wiązania heksa-histydyny, hamując tym samym aktywność wiązania metali przez białko36. W związku z tym postawiliśmy hipotezę, że inne białka z rodziny S100A spośród szerokiego repertuaru tych cząsteczek mogą potencjalnie działać jako pomocnicze chelatory metali. Wybraliśmy S100A12 do dalszych badań, ponieważ nie został zidentyfikowany we wspomnianym wcześniej badaniu przesiewowym pod kątem modyfikacji potranslacyjnej, ma zdolność wiązania i występuje bardzo obficie w tkankach ludzkich pochodzących od osób zakażonych H. pylori.
Nasza praca wskazuje, że S100A12 może hamować wzrost i żywotność H. pylori w sposób zależny od dawki w szczepie G27 H. pylori, oraz że aktywność przeciwbakteryjna tego białka może być odwrócona przez dodanie nadmiaru odżywczego. Praca ta uzupełnia nasze wcześniejsze prace wskazujące S100A12 wywierają aktywność przeciwdrobnoustrojową przeciwko szczepom PMSS1 i 7.13 H. pylori, wykazując jej szeroką aktywność przeciwbakteryjną przeciwko licznym izolatom klinicznym i laboratoryjnie przystosowanym szczepom H. pylori18. Łącznie wyniki te potwierdzają znaczenie S100A12 jako mechanizmu kontrolującego wzrost i namnażanie się bakterii poprzez odporność żywieniową. Przyszłe badania nad tą ważną interakcją gospodarz-bakteria mogą obejmować wykorzystanie aktywności S100A12 w celu zmniejszenia obciążenia bakteryjnego w tkankach gospodarza lub określenie udziału tego białka w sygnalizacji immunologicznej w kontekście zakażenia H. pylori.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Wyrażenie S100A12
2. Oczyszczanie S100A12 za pomocą chromatografii niskociśnieniowej
3. Testy aktywności przeciwdrobnoustrojowej
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Ekspresja i oczyszczanie S100A12
Trzystopniowe oczyszczanie pozwoliło na uzyskanie ~40 mg rekombinowanego białka S100A12 z 50 mL kultury bakteryjnej. Pierwszym etapem było wytrącanie endogennych białek E. coli za pomocą siarczanu amonu. Następnie przeprowadzono chromatografię wymiany anionowej (Rycina1A). Obecność białka monitorowano za pomocą elektroforezy SDS-PAGE z barwieniem Coomassie...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedstawiono skuteczny protokół zarówno do odciągania, jak i oczyszczania S100A12 ludzkiego. System ekspresji E. coli jest najpowszechniejszym narzędziem wykorzystywanym do produkcji białek rekombinowanych, szczególnie gdy do badań biochemicznych i biofizycznych wymagane są ilości mg. Kluczowym ulepszeniem opisanej tutaj procedury jest zastosowanie pożywki autoindukcyjnej26, która zwiększa wydajność oczyszczonego białka prawie trzydziestokrotnie w porównaniu z ekspresją za pomocą standardowej pożywki bulionowej...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
To badanie było wspierane przez Departament ds. Weteranów Nagroda Rozwoju Kariery 1IK2BX001701, UL1TR000445 z nagrodą CTSA od National Center for Advancing Translational Sciences, National Science Foundation Award Numbers 1547757 i 1400969, oraz grant NIH GM05551. Wyłączną odpowiedzialność za jego treść ponoszą autorzy i nie muszą one reprezentować oficjalnych poglądów National Center for Advancing Translational Sciences lub National Institutes of Health.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| S100A12 Ekspresja | |||
| Komórki ekspresji | |||
| BL 21 (DE3) kompetentne komórki | New England Biolabs | C25271 | |
| Składniki | |||
| Ekstrakt drożdżowy | Research Products International | Y20020-250.0 | |
| NaCl | Research Products International | S23020-500.0 | |
| Tryptone | Research Products International | T60060-250.0 | |
| FeCl3 | Sigma-Aldrich | F2877 | |
| MgSO4 | Research Products International | M65240-100.0 | |
| Na2HPO4 | Research Products International | S23100-500.0 | |
| KH2PO4 | Research Products International | P41200-500.0 | |
| NH4Cl | Research Products International | A20424-500.0 | |
| Na2SO4 | Research Products International | S25150-500.0 | |
| Glycerol Research | Products International | G22020-1.0 | |
| D-glucose | Research Products International | G32040-500.0 | |
| laktoza | Sigma-Aldrich | L2643 | |
| Agent selekcyjny | |||
| ampicillin | Research Products International | A40040-5.0 | |
| S100A12 System chromatografii | |||
| AKTA Start | GE | 29-220-94 | |
| HiTrap Q Sepharaose Fast Flow | GE | 17-5156-01 | |
| HiPrep 16/60 S-200 HR | GE | 17-1166-01 | |
| Spektrofotometr Nanodrop lite | Thermo Fisher Scientific | ND-LITE | |
| Tris Base | Research Products International | T60040-1000.0 | |
| H. pylori Culture | |||
| Płytki agarowe z krwią | Lab Supply Company | BBL221261 | |
| Bulion z brucelli | Sigma-Aldrich | B3051 | |
| Cholesterol (250x) | Thermo Fisher Scientific | 12531018 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | 793566 | |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | C4901 | |
| β-merkaptoetanol | Sigma-Aldrich | M6250 | |
| Tris Base | Sigma-Aldrich | T1503 | |
| Chlorek | Sigma-Aldrich | 229997 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.